9.2. Влияние атмосферных газов на свойства стали и сплавов при сварке

9.2.1. Влияние кислорода на свойства стали

Кислород растворяется во многих металлах, в том числе и в железе. Изучение особенностей растворения кислорода в железе позволяет сделать выводы относительно взаимодействия кислоро­да со сталью, основой которой является железо. Железо с кислоро­дом образует три оксида в результате следующих реакций:

Из этих трех оксидов только закись железа FeO растворима в железе и поэтому наиболее сильно влияет на его свойства в соста­ве свариваемого металла. Остальные оксиды в железе не раство­ряются, могут в нем присутствовать только в виде отдельных включений и легко разлагаются при высоких температурах.

Установлено, что при температуре плавления железа предель­ная растворимость кислорода в железе составляет сотые доли про­цента (0,16 %), а при комнатной температуре - тысячные доли процента. Твердый раствор О₂ в Fe называют оксиферритом.

На рис. 9.8 приведена левая часть диаграммы состояния «желе­зо - кислород». При температуре 845 К закись FeO, находящаяся в железе вне твердого раствора, разлагается с образованием закиси-окиси:

(9.16)

Таким образом, при комнатной температуре кислород находит­ся в железе как в твердом растворе Fe _α (в оксиферрите), так и в виде включений Fe₃ О₄

При сварке наблюдаются существенные отклонения от равно­весной диаграммы состояния «железо - кислород». Значительный перегрев жидкого металла увеличивает растворимость кислорода более чем до 0,16 % (ветвь В-В'). В этом случае максимальная растворимость в железе определяется по уравнению

(9.17)

При быстром охлаждении железа может наблюдаться образо­вание пересыщенного твердого раствора Fe _α, а вне твердого рас­твора останется не успевшая разложиться закись железа FeO. Она войдет в состав легкоплавких ликватов, располагающихся по зо­нам срастания кристаллов.

Наличие легирующих элементов в стали также влияет на рас­творимость кислорода. Наиболее сильно снижают растворимость кислорода в железе элементы углерод и кремний, которые являют­ся самыми активными раскислителями, связывающими О₂ в окси­ды СО и SiО₂. Ввод таких элементов в металл шва относится к фи­зико-химическим способам его защиты.

Присутствие кислорода в сталях наряду с окислением железа вызывает непосредственное окисление ряда легирующих элементов, например:

(9.18)

Очередность окисления элементов обратно пропорциональна их химическому потенциалу (вариант такого расчета приведен в гл. 8, см. пример 8.4).

Кроме того, параллельно могут идти нежелательные обменные реакции взаимодействия легирующих элементов с закисью железа, когда окислителем выступает не свободный кислород, а связанный в оксид FeO:

(9.19)

Эти реакции прогнозируют по энергии Гиббса. Возможность окисления легирующих элементов устанавливают в результате термодинамических расчетов, которые приведены в гл. 8.

Таким образом, кислород в стали присутствует главным образом в виде оксидовFeO, MnO, СаО и др., в том числе в виде комплексов с SiО₂, ТiО₂ и другими кислыми оксидами. Как правило, оксиды FeO располагаются по границам зерен металла в виде стекловид­ных игл и поэтому играют роль микронадрезов, а комплексы - в виде легкоплавких ликватов, об­разующих при высоких темпера­турах жидкие прослойки, кото­рые после затвердевания стано­вятся хрупкими.

Наличие кислорода в стали ухудшает все свойства свари­ваемого металла (рис. 9.9). С Увеличением содержания кислорода резко уменьшаются пределы прочности σ_В и текучести σ_т, относительное удлинение δ и ударная вязкость KCU, причем осо­бенно значительно снижается ударная вязкость.

Наряду с этим при увеличении содержания кислорода в стали происходит следующее: уменьшается стойкость против коррозии; обнаруживается склонность к старению; при содержании кислоро­да более 0,08 % появляется склонность к хладно- и красноломко­сти; усиливается рост зерен при нагреве; ухудшается способность к обработке резанием и ковке; понижается магнитная проницае­мость и увеличивается электрическое сопротивление.

9.2.2. Влияние азота на свойства стали

Атомарный азот растворяется преимущественно в тех метал­лах, с которыми он может образовывать химические соединения -нитриды. При растворении в стали азот образует нитриды как с железом, так и с большинством примесей. С железом азот взаимо­действует по эндотермическим реакциям и образует два типа нит­ридов:

Нитрид Fe₄ N содержит 5,88 % N₂, а нитрид Fe2N - 11,1 % N2.

Для сварки большее значение имеет нитрид Fe₄N, а для процессов, характеризующихся избытком азота, например для азотизации стали,- Fe₂N.

В соответствии с равновесной диаграммой состояния «железо -азот» (рис. 9.10) при охлаждении сплава вначале из нитроаустенита

(твердого раствора азота в Fe_γ) выпадает α -фаза, или нитроферрит (твердый раствор азота в Fe_α). После достижения температуры 865 К, отвечающей точке А₁, нитроферрит-эвтектоид распадается на механическую смесь феррита и нитрида железа. При дальней­шем уменьшении температуры в равновесных условиях предель­ная растворимость азота в нитроферрите снижается от 0,135 % при 865 К до 0,001 % при комнатной температуре. Это приводит к то­му, что избыточный азот в виде Fe₄N выделяется из твердого рас­твора Fe_α по диффузионному механизму.

Внеравновесных условиях свар­ки этот процесс практически не раз­вивается, и получают сталь, пересы­щенную азотом. При последующем нагреве или при вылеживании про­исходит медленное выделение нит­ридов железа. Это явление называют старением. Оно снижает пластич­ность стали. При нагревании выше 900 К сталей, содержащих нитриды железа, они диссоциируют.

Таким образом, в железе азот может находиться в твердом рас­творе Fe_α и в виде отдельных вклю­чений нитридов - главным образом Fe₄N. В результате сварки и здесь имеют место существенные отклоне­ния от равновесной диаграммы состояния Fe - N₂. Поэтому общее количество растворенного в металле азота вследствие перегрева металла может быть увеличенным. Кроме того, при повышенной скорости охлаждения металла может не закончиться процесс вы­падения нитридов железа из твердого раствора Fe_α, который оста­нется пересыщенным азотом.

С легирующими элементами стали азот также образует нитри­ды, часто значительно более стойкие, чем нитриды железа. Осо­бенно стойкими в области высоких температур являются нитриды кремния и титана.

Равновесная растворимость азота в железе сильно зависит от температуры (см. рис. 9.6, б). По мере ее роста в интервале суще­ствования феррита растворимость азота увеличивается, а в интер­вале существования аустенита снижается вследствие снижения парциального давления азота в связи с образованием твердых нит­ридов по аналогии со снижением растворимости водорода в титане (см. рис. 9.7). В этом интервале кривые зависимости равновесной растворимости от температуры претерпевают скачкообразные изменения в моменты полиморфных превращений железа и при переходе его из твердого состояния в жидкое. При снижении тем­пературы растворимость азота изменяется по тем же законам. В период кристаллизации азот, выделяющийся из металла, может вызвать порообразование. Несмотря на малую степень диссоциа­ции азота в зоне столба дуги (см. рис. 8.9, а), а также ионизации (см. рис. 8.9, б), азот в металле шва присутствует в значительном количестве, что объясняется большим содержанием его в атмо­сфере и спецификой его поведения в зоне сварки.

Исследования процесса насыщения металла азотом показали, что возможны следующие пути его протекания.

1. Диссоциированный азот непосредственно растворяется в жидком металле капель. При последующем охлаждении металла образуются нитриды железа. Роль этого процесса мала, так как степень диссоциации при сварке незначительна.

2. Диссоциированный азот образует в высокотемпературной области дугового разряда (см. рис. 9.1) окись азота NО, которая растворяется в каплях. При температурах металла ниже 3300 К окись азота диссоциирует на поверхности сварочной ванны, при этом атомарный азот, вступая во взаимодействие с железом, обра­- зует нитриды железа, а кислород - оксиды железа. Термодинами-­ ческим расчетом и экспериментом (см. рис. 9.5) подтверждено, что последний вариант (с участием кислорода) наиболее вероятен.

3. Диссоциированный азот непосредственно образует с диссо­- циированным кислородом в области высоких температур стойкие нитриды, которые, растворяясь согласно закону Сивертса в жидком металле капли, насыщают его азотом. В этом случае по мере охла­ ждения металла сварочной ванны из раствора может выделиться атомарный азот, который, вступая во взаимодействие с железом, образует нитриды железа.

Содержащиеся в стали нитриды азота весьма сильно влияют на ее свойства. Из рис. 9.11 следует, что с увеличением содержания азота N в металле повышаются преде­лы прочности (σ_В) и текучести (σ_Т). Этим влияние азота на свойства стали принципиально отличается от влияния кислорода. Вместе с тем по аналогии с кислородом снижаются пластические свойства и особенно резко — ударная вязкость стали. Наряду с этим проис­ходят и другие нежелательные изме­нения: появляется склонность металла к старению и к хладноломкости (сине­ломкости); увеличивается склонность к закалке; понижается магнитная про­ницаемость; увеличивается электриче­ское сопротивление металла.

Итак, для углеродистых и низколегированных сталей азот -нежелательная примесь в металле шва, особенно при действии на него динамической нагрузки. При сварке легированных сталей осуществляют микролегирование азотом с целью частичной заме­ны углерода и увеличения пластичности и прочности сталей. Азот, как и углерод, образует твердый раствор внедрения, т. е. является сильным упрочнителем, но в отличие от углерода не образует кар­бидов, которые при нагреве растворяются в стали. Нитриды желе­за более термостойки, чем Fe₃C.

При сварке деталей из высоколегированных сталей аустенитного класса азот вводится специально, так как он повышает устойчивость аустенита и выступает как легирующая добавка, способная заменить некоторое количество углерода и никеля. В таких сталях азот устра­няет явление транскристаллизации и улучшает механические свой­ства, а также может вызвать и эффект упрочнения чугуна.

В условиях сварки деталей из меди азот применяют в качестве инертного защитного газа, не взаимодействующего с медью.